P3172785-crop3
  |   Küldés emailben

Elméleti Kémiai Kutatócsoport

Kutatócsoport-vezető

Dr. Pápai Imre
Telefon: +36-1-3826-979
E-mail: papai.imre-KUKAC-ttk.mta.hu


Munkatársak

Albert Eszter hallgató
Dr. Bakó Imre tudományos tanácsadó
Berta Dénes hallgató
Bihari Tamás tudományos segédmunkatárs
Ferenc Dávid hallgató
Földes Tamás tudományos segédmunkatárs
Dr. Hamza Andrea tudományos főmunkatárs
Kótai Bianka tudományos segédmunkatárs
Dr. Madarász Ádám tudományos munkatárs
Dr. Mayer István professor emeritus
Nagy Vendel hallgató
Dr. Stirling András tudományos tanácsadó

Kutatási témák

1) Organokatalitikus átalakítások

Az organokatalízis a modern szintetikus kémia egyik leggyorsabban fejlődő kutatási területe, ahol a reaktánsok aktiválására kisméretű szerves molekulákat alkalmaznak. Az eddig legsikeresebb fejlesztésekben ún. bifunkciós katalizátorokat használtak, melyek egyaránt tartalmaznak savas és bázikus funkciós csoportokat, és ezáltal képesek két molekula egyidejű (vagy egymást követő) aktiválására. Bár az elmúlt évtizedben számos új organokatalitikus eljárást sikerült kidolgozni, a reakciók mechanizmusára vonatkozó ismereteink meglehetősen hiányosak.

Kutatásaink során kvantumkémiai számítások segítségével igyekszünk feltárni a lehetséges aktiválási reakcióutakat, továbbá azonosítani azokat a tényezőket, melyek alapvetően befolyásolják a reakciók kimenetelét és a katalizátorok hatékonyságát. Kutatásainkat szintetikus kémikusokkal közösen végezzük; számos közös témánk van Dr. Soós Tiborral (MTA TTK SzKI), illetve Prof. Petri Pihkoval (Jyväskylä Egyetem).

Négyzetsavamid-alapú katalizátor R és S termék felé vezető átmeneti állapotainak egymásra illesztése Nemkovalens kölcsönhatások analízise Mukaiyama-Michael reakció átmeneti állapotában

Kapcsolódó munkák:

  • A. Claraz, G. Sahoo, D. Berta, Á. Madarász, I. Pápai, P. M. Pihko, A Catalyst Designed for the Enantioselective Construction of Methyl- and Alkyl-Substituted Tertiary Stereocenters, Angew. Chem. Int. Ed. 55, 669 (2016)
    http://dx.doi.org/10.1002/anie.201509302
  • M. Kortelainen, A. Suhonen, A. Hamza, I. Pápai, E. Nauha, S. Yliniemela-Sipari, M. Nissinen, P. M. Pihko, Folding Patterns in a Family of Oligoamide Foldamers, Chem. Eur. J. 21, 9493 (2015)
    http://dx.doi.org/10.1002/chem.201406521
  • E. K. Kemppainen, G. Sahoo, A. Piisola, A. Hamza, B. Kótai, I. Pápai, P. M. Pihko, Mukaiyama–Michael Reactions with trans-2,5-Diarylpyrrolidine Catalysts: Enantioselectivity Arises from Attractive Noncovalent Interactions, Not from Steric Hindrance, Chem. Eur. J. 20, 5983 (2014)
    http://dx.doi.org/10.1002/chem.201304240
  • B. Kótai, G. Kardos, A. Hamza, V. Farkas, I. Pápai, T. Soós, On the Mechanism of Bifunctional Squaramide-Catalyzed Organocatalytic Michael Addition: A Protonated Catalyst as an Oxyanion Hole, Chem. Eur. J. 20, 5631 (2014)
    http://dx.doi.org/10.1002/chem.201304553
  • G. Sahoo, H. Rahaman, Á. Madarász, I. Pápai, M. Melarto, A. Valkonen, P. M. Pihko, Dihydrooxazine Oxides as Key Intermediates in Organocatalytic Michael Additions of Aldehydes to Nitroalkenes, Angew. Chem. Int. Ed. 51, 13144 (2012)
    http://dx.doi.org/10.1002/anie.201204833
  • N. Probst, Á. Madarász, A. Valkonen, I. Pápai, K. Rissanen, A. Neuvonen, P. M. Pihko, Cooperative Assistance in Bifunctional Organocatalysis: Enantioselective Mannich Reactions with Aliphatic and Aromatic Imines, Angew. Chem. Int. Ed. 51, 8495 (2012)
    http://dx.doi.org/10.1002/anie.201203852
  • H. Rahaman, Á. Madarász, I. Pápai, P. M. Pihko, Dual Hydrogen-Bond/Enamine Catalysis Enables a Direct Enantioselective Three-Component Domino Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 6123 (2011)
    http://dx.doi.org/10.1002/anie.201101835
  • I. Pápai, A. Hamza, P. M. Pihko and R. K. Wierenga, Stereoelectronic Requirements for Optimal Hydrogen-Bond-Catalyzed Enolization, Chem. Eur. J. 17, 2859 (2011)
    http://dx.doi.org/10.1002/chem.201002943

2) Frusztrált Lewis-párok kémiája

A frusztrált Lewis-párok (FLP) olyan sztérikusan zsúfolt donor-akceptor rendszerek, melyekben a datív kötés létrejötte erősen gátolt, és ezért különleges reaktivitást mutatnak kis molekulákkal szemben. Képesek például a molekuláris hidrogént enyhe körülmények között heterolitikusan felbontani (néhány esetben újraegyesíteni), és hidrogénezési folyamatok katalizálására is alkalmasak. Jelenlegi kutatásaink a FLP-k reaktivitási modelljének további fejlesztésére, új FLP rendszerek tervezésére, és katalitikus hidrogénezési folyamatok részletes jellemzésére irányulnak. Ezen a téren együttműködések zajlanak Dr. Soós Tiborral (MTA TTK SzKI) és Prof. Timo Repoval (Helsinki Egyetem)

A lehető legkisebb borilcsoportot, a BH2-t tartalmazó intramolekuláris FLP is előállítható, és képes hidrogént hasítani. Iminek és énamiok aszimmetrikus hidrogénezése megvalósítható binaftilvázas királis intramolekuláris FLP-vel.

Kapcsolódó munkák:

  • K. Chernichenko, M. Lindqvist, B. Kótai, M. Nieger, K. Sorochkina, I. Pápai, T. Repo, Metal-Free sp2-C–H Borylation as a Common Reactivity Pattern of Frustrated 2-Aminophenylboranes, J. Am. Chem. Soc. 138, 4860 (2016)
    http://dx.doi.org/10.1021/jacs.6b00819
  • Á. Gyömöre, M. Bakos, T. Földes, I. Pápai, A. Domján, T. Soós, Moisture-Tolerant Frustrated Lewis Pair Catalyst for Hydrogenation of Aldehydes and Ketones, ACS Catal. 5, 5366 (2015)
    http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.5b01299
  • M. Lindqvist, K. Borre, K. Axenov, B. Kótai, M. Nieger, M. Leskelä, I. Pápai, T. Repo, Chiral Molecular Tweezers: Synthesis and Reactivity in Asymmetric Hydrogenation, J. Am. Chem. Soc. 137, 4038 (2015)
    http://dx.doi.org/10.1021/ja512658m
  • K. Chernichenko, B. Kótai, I. Pápai, V. Zhivonitko, M. Nieger, M. Leskelä, T. Repo, Intramolecular Frustrated Lewis Pair with the Smallest Boryl Site: Reversible H2 Addition and Kinetic Analysis, Angew. Chem. Int. Ed. 54, 1749 (2015)
    http://dx.doi.org/10.1002/anie.201410141
  • É. Dorkó, E. Varga, T. Gáti, T. Holczbauer, I. Pápai, H. Mehdi, T. Soós, Steric Control of Geminal Lewis Pair Behavior: Frustration Induced Dyotropic Rearrangement, Synlett 25, 1525 (2014)
    http://dx.doi.org/10.1055/s-0033-1339125
  • K. Chernichenko, Á. Madarász, I. Pápai, M. Nieger, M. Leskelä, T. Repo, A frustrated-Lewis-pair approach to catalytic reduction of alkynes to cis-alkenes, Nature Chem. 5, 718 (2013)
    http://dx.doi.org/10.1038/nchem.1693
  • T. A. Rokob, I. Bakó, A. Stirling, A. Hamza, I. Pápai, Reactivity Models of Hydrogen Activation by Frustrated Lewis Pairs: Synergistic Electron Transfers or Polarization by Electric Field?, J. Am. Chem. Soc. 135, 4425 (2013)
    http://dx.doi.org/10.1021/ja312387q
  • T. A. Rokob, I. Pápai, Hydrogen Activation by Frustrated Lewis Pairs: Insights from Computational Studies, Top. Curr. Chem. 332, 157 (2013)
    http://dx.doi.org/10.1007/128_2012_399
  • I. Bakó, A. Stirling, Sz. Bálint, and I. Pápai, Association of frustrated phosphine-borane pairs in toluene: molecular dynamics simulations. Dalton Trans. 41, 9023 (2012)
    http://dx.doi.org/10.1039/c2dt30370a
  • G. Erős, K. Nagy, H. Mehdi, I. Pápai, P. Nagy, P. Király, G. Tárkányi, and T. Soós, Catalytic Hydrogenation with Frustrated Lewis Pairs: Selectivity Achieved by Size-Exclusion Design of Lewis Acids, Chem. Eur. J., 18, 574 (2012)
    http://dx.doi.org/10.1002/chem.201102438
  • G. Erős, H. Mehdi, I. Pápai, T. A. Rokob, P. Király, G. Tárkányi and T. Soós, Expanding the Scope of Metal-Free Catalytic Hydrogenation through Frustrated Lewis Pair Design, Angew. Chem. Int. Ed.,49, 6559 (2010)
    http://dx.doi.org/10.1002/anie.201001518

3) C-C kapcsolás átmenetifém-katalízissel

A homogén átmenetifém-katalízis a szintetikus kémia egyik legdinamikusabban fejlődő ága. Átmenetifémeket tartalmazó katalizátorok segítségével radikálisan új megközelítésekkel, ugyanakkor a korábbi megoldásoknál sokkal költséghatékonyabb és szelektívebb reakcióutakon keresztül lehetséges szén-szén és szén-heteroatom kötéseket kiépíteni, vagy éppen szelektíven hasítani. Ilyen katalitikus reakciók mára már fontos szerepet játszanak a vegyipari alapanyag- és finomvegyszergyártásban, a gyógyszeriparban vagy biomolekulák előállításában. A mechanizmus feltérképezése, a kulcslépések azonosítása egy eredményes stratégia ahhoz, hogy a katalizátor hatékonyságát növeljük, illetve új katalizátorokat tervezzünk. Ehhez tud hozzájárulni az elmélet azzal, hogy segítségével atomi szinten tudjuk a mechanizmust értelmezni és értékes termodinamikai és kinetikai információkhoz jutunk.

Proton-csatolt elektrontranszfer átmeneti állapota Pd-katalizált keresztkapcsolási reakció egyik lépéseként Ezüstkatalizált C-C kapcsolás szabadentalpia-diagramja

Kapcsolódó munkák:

  • A. Jakab, Z. Dalicsek, T. Holczbauer, A. Hamza, I. Pápai, Z. Finta, G. Timári, T. Soós, Superstable Pd(0) Complex as an Air- and Thermostable Catalyst for Suzuki Coupling Reactions, Eur. J. Org. Chem., 2015, 60 (2015)
    http://dx.doi.org/10.1002/ejoc.201403214
  • M. V. Leskinen, Á. Madarász, K. T. Yip, A. Vuorinen, I. Pápai, A. J. Neuvonen, P. M. Pihko, Cross-Dehydrogenative Couplings between Indoles and β-Keto Esters: Ligand-Assisted Ligand Tautomerization and Dehydrogenation via a Proton-Assisted Electron Transfer to Pd(II), J. Am. Chem. Soc., 136, 6453 (2014)
    http://dx.doi.org/10.1021/ja501681y
  • F. Szabó, J. Daru, D. Simkó, T. Z. Nagy, A. Stirling, Z. Novák, Mild Palladium Catalyzed Oxidative Direct ortho-C-H Acylation of Anilides under Aqueous Conditions, Adv. Synth. Catal., 355, 685 (2013)
    http://dx.doi.org/10.1002/adsc.201200948
  • J. Daru, Z. Benda, A. Poti, Z. Novak, A. Stirling, Mechanistic study of silver-mediated furan formation by oxidative coupling, Chem. Eur. J. 20 15395 (2014)
    http://dx.doi.org/10.1002/chem.201404302

4) A szén-dioxid kémiai átalakítása

Bár a szén-dioxid olcsó és könnyen hozzáférhető nyersanyag, gazdaságos kémiai felhasználását a termodinamikai stabilitása erősen korlátozza. A sikeres átalakításokhoz ezért többletenergia szükséges, melyet általában magas energiatartalmú reaktánsok (hidrogén, telítetlen szénhidrogének, feszült gyűrűs vegyületek) alkalmazása tesz lehetővé. A hatékony felhasználás további feltétele a megfelelő katalizátorválasztás, ugyanis a CO2 aktiválása kinetikailag is gátolt.
Prof. Michele Aresta (Bari Egyetem) csoportjával együttműködve szerves karbonátok előállításának energetikai feltételeit és reakciómechanizmusát tanulmányozzuk.

Zn-katalizátorhoz kötött dimetil-karbonát termék

Kapcsolódó munkák:

  • A. Dibenedetto, A. Angelini, S. Fasciano, Imre Pápai, D. Curulla-Ferré, M. Aresta, The reaction mechanism in the ethanolysis of urea with transition metal-based catalysts: DFT calculations and experiments, J. CO2 Util. 8, 27 (2014)
    http://dx.doi.org/10.1016/j.jcou.2014.10.002
  • M. Aresta, A. Dibenedetto, A. Angelini, I. Pápai, Reaction Mechanisms in the Direct Carboxylation of Alcohols for the Synthesis of Acyclic Carbonates, Top. Catal. 58, 2 (2015)
    http://dx.doi.org/10.1007/s11244-014-0342-0
  • A. Dibenedetto, F. Nocito, A. Angelini, I. Papai, M. Aresta, R. Mancuso, Catalytic Synthesis of Hydroxymethyl-2-oxazolidinones from Glycerol or Glycerol Carbonate and Urea, ChemSusChem 6, 345 (2013)
    http://dx.doi.org/10.1002/cssc.201200524
  • M. Aresta, A. Dibenedetto, C. Pastore, A. Angelini, B. Aresta, and I. Pápai, Influence of Al2O3 on the performance of CeO2 used as catalyst in the direct carboxylation of methanol to dimethylcarbonate and the elucidation of the reaction mechanism, J. Catal., 269, 44 (2010)
    http://dx.doi.org/10.1016/j.jcat.2009.10.014

5) Vizes oldatok kémiája

Ebben a témakörben hidratált molekulák és ionok szerkezeti és spektroszkópiai tulajdonságait, illetőleg reaktivitását vizsgáljuk a kvantumkémia eszköztárával. A kutatások közös szála az alkalmazott szimulációs eszköz (ab initio MD) és az a kiváncsiság, hogy szeretnénk atomi szinten megérteni a hidratáció mechanizmusát és következményeit az oldott anyag sajátosságainak és reaktivitásának tekintetében. Vizes oldatban lejátszódó reakciók során a víz kettős szerepet játszhat: egyrészt a hidratálás stabilizálja a reakciólépéseket, másrészt reakciópartner is lehet. A szimulációs modell megtervezésekor ezeket a lehetőségeket figyelembe kell vennünk. Rendszerint nagy, periódikus határ-feltételekkel rendelkező modelleket használunk a számításokban, amelyekben nagyszámú vízmolekula található. A hőmérsékleti hatásokat molekuladinamika segítségével építjük be a számításainkba, míg a kémiai reakciókat speciális eszközökkel (pl. metadinamika) tudjuk megfigyelni.

Néhány példa az ilyen irányú kutatásainkból: a Wacker reakció első néhány lépésének mechanizmusa, CO2 oldódása semleges és bázikus közegben.

Kapcsolódó munkák:


6) Kémiai információk kinyerése molekulák hullámfüggvényeiből

A hagyományos kémiai kép szerint a molekulák egymással kémiai kötéseket alkotó atomokból állnak. A kvantumkémiai számítások azonban nem atomokra vonatkoznak, hanem közvetlenül az azokat alkotó részecskékre, a magokra, és az elektronokra. (A hangsúly többnyire az utóbbiakon van.) Ennek megfelelően a molekulák elektronrendszerére kapott hullámfüggvények csak közvetve tartalmazzák az olyan kifejezetten kémiai jellegű információkat, mint pl. az, hogy hol vannak a kémiai kötések, és azok “hányszorosak” (egyes, kettes, stb. kötések), milyen kémiailag értelmezhető energiajellegű mennyiségek rendelhetők az egyes kötésekhez, stb.
A témakörben 1982 óta folytatott kutatásaink célja, hogy a gyakorlatban is jól használható elméleti módszereket dolgozzunk ki arra, hogy a különböző kémiailag releváns fogalmakat megfelelő definiciók bevezetésével kvantifikáljuk, s így a számítások során nyert hullámfüggvényeket kémiai szempontból feldolgozzuk. Ezzel értékes információkat kaphatunk a konkrét molekulákról, olyanokat, amelyek a hagyományos kvalitatív kémiai kép szempontjából is értelmezhetők.
Néhány intenzíven művelt kérdéskör: kötésrend- és vegyértékindexek; energiakomponensek; effektív atom- és csoportpályák; lokális spinek.

Kapcsolódó munkák:


7) Erős kötések aktiválása metalloenzimekben

Az enzimek, és különösen a metalloenzimek, figyelemre méltó szerves kémiai átalakításokat képesek elvégezni, melyek során különféle erős kémiai kötéseket (pl. O2, C-H, aromás π-rendszer) képesek aktiválni. Kombinált kvantummechanikai és molekulamechanikai (QM/MM) számításokat végzünk annak érdekében, hogy kiválasztott enzimek, főleg vastartalmú mono- és dioxigenázok, esetében betekintést nyerjünk a reakciómechanizmusba. A mechanizmusok részletes ismerete hozzájárulhat ahhoz, hogy továbbfejlesszük ezeknek a szintetikusan hasznos és környezetkímélő kémiai átalakításoknak a biotechnológiai és biomimetikus alkalmazásait. A saját témák mellett hasonló számításos bioszervetlen kémiai projekteken a Rulíšek-csoporttal (IOCB, Prága) is együtt dolgozunk.

A benzoil-koenzim A epoxigenáz enzim aktív helye

Kapcsolódó munkák:

  • T. A. Rokob, J. Chalupský, D. Bím, P. C. Andrikopoulos, M. Srnec, L. Rulíšek, Mono- and binuclear non-heme iron chemistry from a theoretical perspective, J. Biol. Inorg. Chem. in press (2016)
    http://dx.doi.org/10.1007/s00775-016-1357-8
  • J. Chalupský, T. A. Rokob, Y. Kurashige, T. Yanai, E. I. Solomon, L. Rulíšek, M. Srnec, Reactivity of the Binuclear Non-Heme Iron Active Site of Δ9 Desaturase Studied by Large-Scale Multireference Ab Initio Calculations, J. Am. Chem. Soc. 136, 15977 (2014)
    http://dx.doi.org/10.1021/ja506934k

Együttműködések

  • University of Jyväskylä, Finnország
  • University of Helsinki, Finnország
  • University of Bari, Olaszország
  • Universitat Autonoma de Barcelona, Spanyolország
  • University of Girona, Spanyolország
  • Institute of Organic Chemistry and Biochemistry, Csehország
  • Angstrom Laboratory, Uppsala University, Svédország

Oktatási tevékenységek

PhD témavezetés (ELTE Kémia Doktori Iskola)

Speciális kollégium előadások (ELTE Kémia Doktori Iskola)